船用燃气轮机动力涡轮可调导叶级的流场结构

船用燃气轮机动力涡轮可调导叶级的流场结构 第20卷第2期2005年3月 热能动力工程 JOURNALOFENGINEERINGFORTHERMALENERGYANDPOWER Vol.20,No.2Mar.,2005 文章编号:1001-2060(2005)02-0120-05 刘顺隆1,冯永明1,刘??敏2,王??林2 (1.哈尔滨工程大学动力与核能工程学院,黑龙江??哈尔滨??150001; 2.哈尔滨??第七 三研究所,黑龙江??哈尔滨??150036) 摘??要:基于耦合求解可压缩Favre平均Navier??Stokes方程及Menter的Baseline(BSL)双方程湍流模型,本文对一个考虑可调导叶设计的船用燃气轮机变几何动力涡轮进行了全流场的三维粘性数值模拟。计算结果表明,采用可调导叶技术,涡轮各级热力反动度发生了明显变化;可调导叶级的流动特性变化更显著影响变几何动力涡轮的气动性能;选取具有良好冲角适应性和跨音速性能的可调导叶是船用燃气轮机变几何动力涡轮气动设计的一个关键技术。由此,根据数值计算结果,重点分析可调导叶级的气动特性及其流场结构。关 键 词:船用燃气轮机;可调导叶;变几何动力涡轮;三维粘性流场;数值——————————————————————————————————————————————— 研究 中图分类号:TK47??????文献标识码:A 过试验研究和理论分析,发现它的油耗却可以减小到与中速柴油机相同的水平[2]。从1991年开始,美国就开始设计发展新一代船用燃气轮机 WR??21,正是基于间冷、回热和VAN三大关键技术的有机配合使用,从而使WR??21船用燃气轮机在大部分功率范围内具有一平坦的耗油率曲线。如今WR??21船用燃气轮机已成功应用于英国海军船只,而美法等西方国家海军则进一步拟将其应用于综合全电力推进系统[5~6]。因此船用燃气轮机变几何涡轮技术研究具有现实的国防意义和重要的应用前景。 目前,由于湍流模型性能的提高和高精度数值方法的发展,叶轮机械全三维定常粘性CFD技术已经能够比较准确揭示多级透平复杂的流场结构和损失分布,成为其实际工程设计的先进手段 [7] 1??引??言 20世纪50年代,美国国家航空航天管理局就着手开展变几何涡轮技术可行性的理论研究和实验研究,并在一个两级航空燃气涡轮上验证了可调导叶(VAN)技术[1]。英国Rolls??Royce公司则根据1971年所进行的一系列涡轮变几何技术试验研究得出重要结论 最有效的变几何涡轮技术是采用VAN技术方案。从此,西方国家对变几何涡轮技术的研究或应用均采取VAN技术方案。在非设计工况下,采用可调导叶可以有效控制涡轮流量变化,进而调节和优化燃气轮机各部件——————————————————————————————————————————————— 之间的匹配关系,有效提高整个机组的加减速特性和低工况性能[2~3]。由于船用燃气轮机在寿命期90%以上的时间都在部分负荷下运行,所以采用变几何涡轮技术成为提高其低工况性能的一个重要考虑措施。 1989年,美国Solar和Caterpiller公司联合研制成功了动力涡轮采用VAN技术的Solar5650型船用燃气轮机,尽管其仅采用了回热和VAN技术,但经 收稿日期:2004-05-28;??修订日期:2004-12-10基金项目:海军装备预研基金资助项目(40101030104) 。为了 使数值模拟具有较高的准确性,本文采用CFX??TASCflow软件平台,基于可以计及动静干涉的叶轮机械全三维定常粘性CFD技术,对整个动力涡轮进行四级联算,设计工况与非设计工况对定几何动力涡轮的数值计算结果与相应可利用的设计参数吻合较好。基于此,本文对该动力涡轮采用可调导叶的变几何涡轮设计方案的不同工况全流场进行了三维数值模拟分析。计算结果表明,可调导叶级的流动特性变化显著影响了变几何动力涡轮的气动性能,由此本文重点分析可调导叶级的气动特性及其三维粘性流场结构。 2??控制方程与数值方法 经过Favre平均三维粘性可压缩N??S方程在一般曲线坐标系(??,??, )下可写为如下形式: 作者简介:刘顺隆(1939-),男,浙江湖州人,哈尔滨工程大学教授,博士生导师. ——————————————————————————————————————————————— ??(E-EV)??(F-FV)??(G-GV) +++=S(1) 式中:Q 未知变量的一般形式;E,F,G 对流通量;EV,FV,GV 粘性通量;S 源项,计及了离心力和科氏力的影响,它们的相关表达式不再赘述。其中动力粘性系数!由Sutherland公式计算;湍流涡粘系数!t由Menter发展的BSL双方程湍流模型计算,其相关常量取值参见文献[8]。 若分别以?1,?2,?3表示K??#模型和K???模型及BSL模型中的函数关系,则BSL双方程湍流模型可简单表示为: ?3=F1?1+(1-F1)?2 (2) 式中:F1 K??#模型和K???模型转换的控制变量,在近壁区边界层内F1=1;在边界层外F1=0。由式(2)可知对BSL模型而言:一方面利用近壁区K??#模型可以给出较高精度的边界条件及保证计算收敛的稳定性特点;另一方面可充分发挥远壁区K???模型对自由流条件具有良好适应性的特点[8]。 本文计算中涡轮进口给定总温、总压,绝对气流角分布;出口给定背压;在叶片内、背弧和上、下端壁施加无滑移条件,并应用了温度的法向梯度为零的条件;求解叶栅流场还采用了周期性边界条件。在采用CFX??TASCflow软件平台求解N??S方程时,对流项数值采用线性分布对称迎风格式(LPS)加物理对流修正(PAC),粘性项采用中心差分格式,为加快程序的计算速度采用了全隐式多网格耦合求解技术。 片排首尾通过!混合平面?相连。设计点和非设计点的全流场最大——————————————————————————————————————————————— 计算残差均收敛到10-4以下,这说明本次计算采用的数值方法和级间处理对本算例是合理的。本次计算静叶栅网格径向取46个网格点;动叶栅径向取54个网格点,其中叶顶间隙取9个网格点;单列静、动叶栅网格点数分别约10万个及14万个,总的计算网格点数约95万个。 图1??动叶顶分区计算网格 3??网格生成及级间处理 目前,叶轮机械数值模拟中广泛采用分区结构网格技术,以适应叶片复杂外形及流道空间拓扑结构的要求。本文计算中动叶顶部间隙网格生成时采用了如下拓扑结构:绕叶型(%1)具有一圈O型网格,在入口段和流道中部(%2)采用的是C型网格, 在出口段(%3~%4)采用的是H型网格。对于叶顶间隙区域采用!镶嵌?式网格结构,由三部分子区域(%5~%7)组成,它们在拓扑结构上等同于H型网格。这样的分区保证了叶片前缘、尾缘及流道中的网格质量。图1和图2分别为动叶顶分区计算网格和涡轮的计算网格。 图2??涡轮计算网格 4??数值计算结果及分析 由图3可见,船用燃气轮机动力涡轮效率随着功率减小逐渐降低,对定几何涡轮的计算结果与可以利用的设计曲线整体趋势吻合良好,其中功率以设计参数的额定功率进行无量纲化。通用汽车公司 的实验研究表明[2]:无论可调导叶开大还是关小,由于涡轮偏离最佳设计冲角运行,变几何涡轮的效率都将下降,本文计算结果与此相一致,这里不再给出相关变化曲线。其实,对变几何涡轮技术而言,在部 ——————————————————————————————————————————————— ??????122????热能动力工程2005年分负荷时,由于可调导叶关小,从而可以使动力涡轮 在较高的进口总压、总温下运行,所以将提高整个机 组低工况的热效率;而且若采用间冷回热技术并与 此相结合,那么低工况时将通过提高回热效率而进 一步提高整个机组的经济性[6]。目前,叶轮机械 CFD技术还不能达到提供绝对精确数据的要求,但 却可以相当精确地给出叶轮机械内部的流场结构以 及损失分布[9],本文的计算具有较高精度,能够准确 地进行涡轮的流场预测与分析。反动度几乎不发生变化。不过相 比而言,末级的热力反动度略微有所增加。 图4??可调导叶级静、动叶 表面无量纲静压分布 图3??计算结果与设计参数的对比 对于本文模拟的变几何动力涡轮,其各级静、动 叶采用的叶型基本上分别属于!后部加载?叶型及 !均匀加载?叶型。图4为设计工况下可调导叶级 静、动叶10%叶高表面处无量纲静压分布,从中可 以看出:静叶最低压力点在轴向弦长58%位置左 右,动叶叶片表面载荷分布均匀;静叶属于!后部加 载?叶型,而动叶属于!均匀加载?叶型。采用后部加 载叶型,可通过减小叶片端部靠近前缘的横向压力 ——————————————————————————————————————————————— 梯度,削弱端部气体横向流动,以求减小叶栅二次流 损失。实验和数值模拟研究表明[10]:后部加载叶型 具有良好的攻角适应性,而且其气动负荷特性还可 降低叶栅三维通道的二次流损失。因此!后部加载? 可调导叶将能够很好地适应现代船用燃气轮机变工 况的要求。 在转速一定的情况下,转动可调导叶改变了喷 嘴的有效通流面积,则导致涡轮级间焓降重新分配, 从而热力反动度%h也随之改变。图5为在设计转 速、压比情况下,各级热力反动度随可调导叶转角改 变的变化曲线。由图5可见,随着可调导叶转角增 加,可调导叶级即第一级热力反动度几乎成线性逐 渐增加,其余各级在关小3#以下,热力反动度减小的 图6??部分负荷、低转速低压比时,涡轮各级热力反动度随可调导叶转角改变的变化关系图5??设计转速、压比时,涡轮各级热力反动度随可调导叶转角改变的变化关系 何设计时可调导叶级倾向于选择较高的热力反动 度,为避免动叶根部出现负的反动度,最好采用可控 涡设计方法。 图7??转角不同典型位置可调导叶级静叶 展向中部S1流面马赫数分布等值线 图6为部分负荷、低转速低压比时,变几何动力涡轮 ——————————————————————————————————————————————— 各级热力反动度与可调导叶转角的变化关系曲线。 对比图5及图6可见,两者的变化趋势基本一致,结 合两者进一步可以看到,各级的热力反动度随着转 速降低逐渐减小,而且从中可见,船用动力涡轮原设 计的热力反动度在0.3~0.5之间。根据以上分析 可见,对于变几何动力涡轮的气动设计而言,其定几图8??转角不同典型位置可调导叶级动叶展向中部S1流面流线图7为图5相应工况&?典型位置可调导叶级静叶展向中部S1流面马赫数分布等值线图。由图7可见,当转角由定几何逐渐减小,可调导叶级静叶由中亚声速流动逐渐进入跨音速流动,并由较小负 ??????124????热能动力工程2005年 冲角趋向在较大正冲角下运行,其吸力面高亚声速区逐渐扩大;当转角由定几何逐渐开大,可调导叶在较大负冲角下运行,两种情况均导致可调导叶总损失加大。可调导叶气动特性要求其具有良好的冲角适应性和跨音速性能。 图8为图7相对应可调导叶级动叶展向中部S1流面流线。由图8可见,当转角由定几何逐渐减小,动叶逐渐在相对较大正冲角下运行;当转角由定几何逐渐开大,动叶逐渐在较大负冲角下运行,不论是大的正冲角或是大的负冲角,都导致可调导叶级动叶栅流道出现了闭式分离。进一步对比可见:可调导叶级动叶栅在较大正冲角下运行,在叶栅吸力面上形成大尺度旋涡区;而在大负冲角下运行,则在叶栅压力面上形成大尺度旋涡区,比较而言,在正冲角下流动分离的强度尺度显然很——————————————————————————————————————————————— 大,但是随着负冲角加大,其压力面前缘也将发生闭式分离,并逐渐增强;两者产生的原因是气流在惯性作用下来不及折转和分别受到来自吸力面或者压力面分支气流的排挤,引起叶片前缘近壁区域的主流流向大幅度改变和加速,在叶栅头部即发生分离。这必将严重降低叶栅的气动性能和改变涡轮的通流特性,因此可调导叶转角的确定及其与相应动叶的级间匹配对变几何动力涡轮的气动设计具有重要意义。 择较高的热力反动度。 (2)可调导叶转角不论是关小还是开大都将导致叶型损失增大,可调导叶转角关小,由于静叶喉部局部超音速将导致复杂的膨胀激波,进而导致叶型损失增大;可调导叶转角开大,由于在较大的负冲角下运行,从而也导致叶型损失增大。 (3)对于后部加载叶型,国内进行了大量的理论研究和实验研究,因此可调导叶设计时可优先考虑采用自主设计的先进后部加载叶型[9]。但采用可调导叶使透平叶栅处于大攻角范围内运行,因此必须进行足够精度的整机数值模拟,进而对可调导叶进行气动优化设计并优化确定其与相应动叶的级间气动参数匹配。参考文献: [1]??CAMPBELLCE.WELNAHJ.Preliminaryevaluationofturbineper?? 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[10]??安柏涛.涡扇发动机涡轮低压导向器气动性能的实验和数 值 研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2002. 5??结??论 通过有效控制流量变化,采用可调导叶技术的变几何动力涡轮可 以随着工况的改变,有效调节和 优化机组各部件之间的匹配关系,从而改善整个机组的变工况性 能,因此对于船用燃气轮机变几何动力涡轮来说,可调导叶的转角是个 至关重要的参数。通过变几何动力涡轮多级环境下的三维数值模拟分 析,可得到以下结论: (1)变几何动力涡轮各级热力反动度随着转角&?的变化规律 有所不同,可调导叶级热力反动度随转角关小几乎成线性递减。对于 变几何动力涡轮的气动设计而言,燃气轮机动力涡轮定几何设计时优 先考虑采用可控涡方法设计,可调导叶级倾向于选 (渠??源??编辑) ??????212????热能动力工程2005年高温燃料电池与燃气轮机相 结合的混合发电系统 =APowerGenerationSystemBasedontheCombinationofHigh??temperatur eFuelCellsandGasTurbines??aHybridPowerGenerationSystem[刊, 汉]/CHENQi??mei,WENGYi??wu,WENGShi??lie,etal(PowerMachineryand ——————————————————————————————————————————————— EngineeringEducationMinistryKeyLaboratoryundertheShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,China,PostCode:200030)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2005,20(2).-111~115 Ahybridpowergenerationsystembasedonthecombinationofhigh??temperaturefuelcellsandgasturbinesfeatureshigh??efficiency,protectionofenvironmentandreliableperformance.Suchaninnovativepowergenerationsystemenjoysbrightprospectsofwideapplicationsintherealmoffuturedistributedpowergeneration.Numerousexpertsandscholarshavecarriedoutahugeamountofresearchconcerningitssystemconfiguration,matchingandperformance.Currently,severalofsuchhybridpowergenerationsystemsarealreadyoperatingsuccessfully.However,therestillremainmanyproblems,whichrequirefurtherstudyandexplorationinordertorealizetheirearlycommercialoperation.Theauthorshavepresent??edanoverviewofthepresentstatusofhybridpowergenerationdevelopmentalongwithaforecastofitsfutureresearchtrendsanddevelopmentprospects.Keywords:high??temperaturefuelcell,gasturbine,hybridpowergenerationsystem冲角对不同掠型压气机叶栅扩压 因子的影响 =TheImpactoftheVariationinIncidencesontheDiffusionFac??torofCompressorCascadesofDifferentSweptTypes[刊, 汉]/CHENFu,ZHAOGui??jie,SONGYi??ping,etal(CollegeofEnergyScience&EngineeringundertheHarbinInstituteofTechnology,Harbin,China,Post——————————————————————————————————————————————— Code:150001)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2005,20(2).-116~119 Anexperimentalinvestigationwasconductedofthecompressorcascadescomposedofstraight,swept??forward,swept??curvedandswept??backblades.Inconnectionwiththeenergylossdistributionatthecascadeoutlet,thestaticpressuredistributionatthebladesurfaceandbladeloadingdiscussedaretheinfluenceofvariationinincidencesonthediffusionfactorofcompressorcascadesofdifferentswepttypesaswellastheinterrelationshipbetweenthecascadediffusionfactorandcascadeenergylossontheonesideandthebladeloadingontheother.Studyresultshaveshownthattheswept??for??wardandswept??curvedcascadesmarkedlycontributetotheimprovementofflowsattherootportionofthecascades,thuseffectivelyeliminatingthepossibilityofflowseparationcausedbyaflowspeedreduction.Thecombinedactionofagreaterreverse??pressuregradientoftheabovetwotypesofcascadeandalowerbladeloadingatmidspanhasresultedinasmallerdiffusionfactoratthetwoendsofthebladethanthatatthestraightcascade.Keywords:compressor,test,dif??fusionfactor,swept??curvedblade,indicence BasedonthecoupledsolutionofacompressibleFavre??averagedNavier??StokesequationandMenterbaseline(BSL)dual??e??quationturbulence??flowmodeltheauthorshaveconductedafullflow??fieldthree??dimensionalvis——————————————————————————————————————————————— cousnumericalsimulationofavariable??geometrypowerturbine,takingintoaccountavariable??areanozzledesign.Computationalresultsindicatethatwiththeuseofthevariable??areanozzletechniquesthereoccurredasignificantchangeinthethermodynamicreactionofthevariousstagesoftheturbine.Thechangeintheflowcharacteristicsofthevariable??areanozzlestagecanmore?? 第2期英??文??摘?? 要??213??????nozzlewithfineadaptabilitytoincidenceandagoodtransonicperformancerepresentsakeytechnologyofvariable??geome??trypowerturbinedesignforanavalgasturbine.Inviewofthis,onthebasisofthenumericalcalculationresults,theau??thors?analysishasbeenfocusedontheaerodynamicperformanceandtheflowfieldstructureofthevariable??areanozzlestage.Keywords:navalgasturbine,variableareanozzle,variable??geometrypowerturbine,three??dimensionalviscousflowfield,numericalinvestigation 两套后部加载叶栅的对比实验研究 =ContrastExperimentalStudyofTwoKindsofRear??loadedCascades [刊, 汉]/YUEGuo??qiang,HANWan??jin,LUWen??cai(CollegeofEnergyScience&EngineeringundertheHarbinIn??stituteofTechnology,Harbin,China,PostCode:150001),LIDian??xi(HarbinNo.703ResearchInstitute,Harbin,China,PostCode:150036)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2005,20(2).-125~129Toinvestigatetheimpactofbladefront??edgediameterandloaddistributionontheaerodynamicperformanceofrear??loaded——————————————————————————————————————————————— cascades,acontrastblow??downtestwasconductedoftwosetsofrear??loadedcascadeswithdifferentfront??edgediametersandloaddistribution.Detailedmeasurementsweretakenoftheflowfieldparametersandsurfacestaticpressureatthefol??lowingincidences:0#,+20#,-20#.Theresultsoftheinvestigationindicatethatthroughaproperselectionofthefrontandrearedgediameterandarationalmatchingofoutletinverse??pressurestagelengthandinversepressuregradientmag??nitudesitispossibletoeffectivelyreducethesecondaryflowlossesofthecascadesandenhancetheadaptabilityofcas??cadestoincidencevariation,thusresultinginamoreuniformdistributionofoutletflow??fieldaerodynamicparametersa??longthebladeheight.Keywords:rearloading,experimentalinvestigation,incidence,cascade 平板滞止区内饱和液体喷流沸腾的临界热流密度 =CriticalHeat??fluxDensityoftheJetFlowBoilingofaSat??uratedLiquidinaFlat??plateStagnationZone[刊, 汉]/QIUYu??hao,LIUZhen??hua(CollegeofMechanical&Pow??erEngineeringundertheShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai,China.PostCode:200030)//JournalofEngineeringforThermalEnergy&Power.-2005,20(2).-130~133 Asystematicsteady??stateexperimentalstudywasconductedwithrespecttothecriticalheat??fluxdensityofaroundjet??flowimpingementboilingofasaturatedliquidinahigh??temperatureflat??platestagnationzone.Investigated——————————————————————————————————————————————— wastheinflu??enceofthevarioussystemconditions,suchasdifferentliquids,flowvelocitiesandjetflowdiameter,etc.onthecriticalheat??fluxdensityofthejet??flowboiling.Asemi??theoreticalandsemi??empiricequationwasestablishedforforecastingthecriticalheat??fluxdensity.Thebasicformoftheequationwasobtainedbyadoptingavailableformerresearchresults.Thecoefficientsoftheequationwerederivedbyafittingoftheexperimentaldataofthepresentstudy.Thestudyresultsindi??catethatthecriticalflow??fluxdensityofthesaturatedfluidjet??flowimpingementboilingdependsonthephysicalproper??tiesoftheliquid,stagnationimpingementspeedandjetflowdiameter.Byusingthesemi??theoreticalandsemi??empiricalformulaobtainedasaresultofthepresentstudyitispossibleinaextensiverangeoftestsaccuratelypredictthecriticalheat??fluxdensityofthejet??flowboiling.Keywords:jetflow,boiling,criticalheat??fluxdensity 制冷剂R??134a在螺旋环形通道内凝结换热的实验研究 =ExperimentalInvestigationoftheCondensationHeatExchangeofRefrigerantR??134ainaSpiralRing??shapedChannel[刊, 汉]/HANJi??tian,SUGuo??ping(CollegeofEnergy&PowerEngineeringundertheShandongUniversity,Jinan,China,PostCode:250061)//JournalofEngineer??ingforThermalEnergy&Power.-2005,20(2).-134~137,141?? 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